实时桥梁净空高程测量系统的研究与实现

2020-06-16潘丽敏李建蓉

苏州市职业大学学报 2020年2期

潘丽敏，李建蓉

(苏州市职业大学机电工程学院，江苏苏州 215104)

为了保证船舶能安全通过桥梁，必须实时获得桥梁的净空高度。桥梁净空高度的测量，特别是实时测量一直是相关学术研究的热点，出现了多种有效的测量方法。

B.H.沙拉辽夫[1]在1983年利用数理统计的方法研究了弯曲河段正常航行所需要的航道条件，由于计算时采用的是近似公式，导致其准确性不高。2002年，郑直[2]研究了桥梁通航净空尺度、桥位等与航道通航的关系，为跨航道桥梁的通航净空设计和桥址选择提供参考。2003年，吴乃平[3]提出了桥梁净空高度的定义及相关定义值的区别与换算方法。同年，陆明生等[4]从交叉学科的角度论述了桥梁通航标准的确定原则与方法，提出了净空尺度计算原则和斜交桥梁净空宽度计算公式，为跨道桥梁的通航净空尺度和技术要求论证提供了参考。2006年，张玉山[5]介绍了桥梁净空高程测量的两种方法即三角高程测量法与GPS观测法，并详细介绍了平均大潮高潮面的确定方法，从中得出GPS观测效率比三角高程测量更快且精度更高。2009年，郑仲娥[6]结合沪汉蓉快速铁路跨南淝河特大桥，从桥位方案的合理选择和通航净空尺度的确定入手，对跨河桥梁通航净空尺度和技术要求论证工作进行探讨并提出了合理建议。2017年，郭义浩[7]提出了一种桥梁净空高度的实时自动检测与综合报告系统，该系统简单易实施，能实时获取桥梁净空高度信息，从而可以避免因船舶超高而发生碰撞桥梁事故，其应用性可进一步扩展。本文采用更先进的脉冲雷达液位计来进行桥梁净空高程的测量，并开发了基于地理信息系统的客户端系统，可实时对通航船舶进行监控和管理。

1 雷达液位计简介

雷达液位计的测量原理如下：雷达液位计的天线发射极窄的微波脉冲，这个脉冲以光速在空间传播，遇到被测介质表面，其部分能量被反射回来，被同一天线接收。发射脉冲与接收脉冲的时间间隔与天线到被测介质表面的距离成正比。但是由于电磁波的传播速度极高，发射脉冲与接收脉冲的时间间隔很短(纳秒量级)，一般设备很难确认，26 GHz雷达液位计采用了一种特殊的解调技术，可以准确识别发射脉冲与接收脉冲的时间间隔，最终准确计算出发射天线到被测介质表面的距离[8]。雷达液位计能够测量液体或固体介质，且不受介质变化、温度变化、蒸汽、粉尘、泡沫等的影响；其精度为毫米级，智能型高频雷达最高可以做到70 m；雷达液位计可耐高温250°C、高压40 kPa，故也可用于爆炸危险区域。

2 实时桥梁净空高度管理系统的实现

实时桥梁净空高度管理系统主要由两部分构成：桥梁的现场信息采集部分与信息中心的监控服务部分。桥梁的现场信息采集部分包括：桥梁两侧的桥涵标信息采集、桥梁下方的水位信息采集、桥梁上下游的通航标信息采集。采集到这些信息后，通过安装在现场的采集终端将信息发送到信息中心的终端通信服务器。信息中心的监控服务由终端通信服务器、中心监控服务器和客户端连网组成，采集终端到终端通信服务器之间的网络连接是采用GPRS无线网连接，而服务器之间以及服务器与客户端之间是采用Internet网连接，服务器与客户端中均有相应的应用程序，管理系统的体系结构如图1所示。

2.1 桥梁现场信息采集部分的实现

桥梁两侧的桥涵标信息、通航标数据采集均由航道管理系统提供。水位高度采集终端选用26 GHz雷达液位计，型号为EL-RD609，发射频率为26 GHz，精度±10 mm，测量范围70 m。由于雷达波的传播速度不受温度、湿度、气压、雨雪和风沙等环境因素的影响，传播相当稳定，使得雷达液位计在其工作范围内具有相当高的精度，且不需维护。

利用雷达液位计测量出桥梁下方的水位面距雷达液位计的高度后，将测量的高度数据通过RS485接口和采集终端传输到终端通信服务器，再由终端通信服务器计算出桥梁净空高程、水深等数据。根据实际要求，所需测量设备参数技术指标为：量程范围，0～70 m；测量精度，±10 mm；供电电源，DC(6-24 V)/四线；频率范围，26 GHz；输出信号，RS485/Modbus协议；温度范围，-40～100 ℃；防护等级，IP67/IP65；防爆等级，ExibⅡCT6 Gb。

雷达液位计安装如图2所示。安装时应给安装设备预留足够的空间，且避免强烈震动的安装场合。安装时要求从天线下缘到被测介质表面之间，即发射微波波束所辐射的区域内不得有障碍物。雷达液位计测量桥梁净空高程的实际精度除了仪器本身的测量精度外，更主要取决于被测水面的风浪大小。

2.2 客户端/中心监控服务系统的实现

中心监控服务系统是数字桥梁管理系统的中心，连接终端通信服务、监控客户端等多个系统，既有桥梁的作用，也有中心的作用。桥梁作用表现为：负责监控客户端与终端通信服务器之间数据转发。中心作用表现为：各个系统的运行状态监测、各类用户的登录管理等。客户端与中心监控服务器之间的通信模块调用关系图如图3所示。

监控客户端软件由地图管理、桥涵标管理、水位管理、航标管理等模块组成。监控客户端软件被安装在桥梁管理人员使用的电脑中，该电脑采用一个网络接口来与中心监控服务器建立TCP/IP连接。监控客户端软件由一个安装包来实现，安装后不需要做任何设置即可使用；管理人员无须具备数据库、编程、电子等方面的专业技术知识，就能方便的使用该客户端软件。监控客户端通过监控软件查询并接收来自中心监控服务系统发来的相关数据，并显示桥涵标的实时工作状态、液位计测量的水深值、桥梁净空高程数值以及报警信息。

监控客户端软件的数据支持由数据库服务器软件来实现。数据库服务器软件负责管理包括地图数据、桥梁信息数据、桥涵标信息数据、实时及历史水位数据、通航标数据等内容的存储、读取、更新、查询，数据库服务器为中心监控服务器所调用，从而向其他子系统提供数据支持。

3 基于地理信息系统的桥梁管理客户端系统的实现

本文的监控客户端系统是自行开发的基于地理信息系统(geographic information system，GIS)的桥梁管理客户端系统，其需要解决以下五方面的问题：下载通用瓦片地图，开发基于SharpMap的瓦片式基础地理信息系统，开发基于桥梁实景图像的桥涵标监控界面，解决客户端与客户端之间、客户端与监控服务器之间、客户端与终端通信服务器之间的通信问题，开发桥梁管理系统的各个功能模块。该系统具有地理信息系统的一般功能与特征，即：可视化、移动、缩放、测量、对象查询等功能，系统实现界面如图4所示。

为了更好地展示桥梁上桥涵标的当前状态，采用桥梁实景图像作为背景，桥涵标的形状与状态按照实时检测的结果进行显示。监视界面可以是如图5所示的单桥监视，也可以是如图6所示的多桥监视。

桥梁管理客户端系统大致分为地图管理、桥梁管理、桥涵标管理、液位计管理、通航标管理和系统管理六大功能模块，每个大模块又由若干小模块组成。

所有功能模块采用Visual Studio 2013开发平台开发，主要开发语言为Visual C#2013，其中少量使用了Visual C++2013，数据库管理系统采用SQL Server 2008。此外，开发过程中还要使用多个外部控件，包括DevExpress 13.2界面组件包、ES Framework通信组件包、SharpMap 1.1开源代码等。

该系统开发的难点在于需要了解现有分析公司系统的数据库结构。其原因是分析公司早期开发的航道管理系统中关于航标部分的静态/动态数据、网络传输的内容与通信协议，往往和现有设计的数据兼容性差，整合比较困难。如原系统中航标的定义，通常存储在数据库中；而原系统中航标的实时采集数据，则一般采用网络通信传输。这些具体的数据结构定义及数据库布局还需要进一步完善和整合。故开发过程中需要得到以前开发商的协助和配合。